基于非接触式ic卡的门禁控制系统设计_毕业设计

题目基于非接触式IC卡的门禁控制系统设计学院信息电子技术学院年级专业自动化姓名学号指导教师摘要随着现代科技的发展，门禁控制系统在安全技术防范领域扮演着越来越重要的角色，它是建立在先进的计算机技术、通信技术和非接触的射频识别技术之上，通过持有非接触式IC卡来对人的进出实施放行、拒绝和记录等操作的智能化控制系统。非接触式IC卡的核心技术为射频识别，其环境适应性强，可全天候、无接触地完成自动识别功能。本文首先介绍了门禁控制系统在国内外的研究现状与发展状况，之后介绍了系统相关的基础理论知识。最后重点阐述了系统的硬件电路与软件设计。硬件方面主要包括单片机STC89C54的接口设计、ZLG500AT读写模块设计、串行通信模块设计、实时时钟模块设计、液晶显示模块设计及数据存储模块设计等。软件方面主要包含非接触式IC卡的操作程序设计与单片机外围芯片的驱动程序设计等。根据系统要求，当没有卡进入读写器工作范围之内时，LCD上显示动态时间，当有有效卡片进入读写器工作区域时，应当读取卡内指定扇区数据并在LCD屏幕上显示卡的序列号信息以及打卡状态。经过综合调试，实际运行结果表明本课题设计的系统基本满足上述要求。关键字非接触式IC卡；门禁控制系统；ZLG500AT读写模块；射频识别ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMODERNTECHNOLOGY,ENTRANCEGUARDCONTROLSYSTEMISACTINGAMOREANDMOREIMPORTANTROLEINTHEFIELDOFSECURITYTECHNOLOGYTOPREVENT,ITISBASEDONADVANCEDCOMPUTERTECHNOLOGY,COMMUNICATIONSTECHNOLOGYANDNONCONTACTRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONTECHNOLOGY,AKINDOFINTELLIGENTCONTROLSYSTEMTHATLIMITSPEOPLESACCESSTOMAKETHEIMPLEMENTATIONOFTHERELEASE,REJECTIONANDRECORDSOPERATIONTHROUGHTHENONCONTACTTYPEICCARDNONCONTACTTYPEICCARDSCORETECHNOLOGYISRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONANDITSENVIRONMENTADAPTABLETONONCONTACTTOCOMPLETETHEAUTOMATEDIDENTIFICATIONTHISPAPERFIRSTINTRODUCESTHERESEARCHSTATUSOFTHEACCESSCONTROLSYSTEMATHOMEANDABROADANDDEVELOPMENT,LATERINTRODUCESTHEUNDERLYINGTHEORYOFKNOWLEDGERELATEDTOTHESYSTEMFINALLYFOCUSONTHEHARDWAREANDSOFTWAREDESIGNOFTHESYSTEMTHEHARDWAREINCLUDINGTHEDESIGNOFTHESTC89C54SINTERFACE,ZLG500ATREADINGANDWRITINGMODULEDESIGN,THEDESIGNOFSERIALCOMMUNICATIONMODULE,THEDESIGNOFREALTIMECLOCKMODULE,LCDMODULARDESIGNANDDATASTORAGEMODULEDESIGNANDSOONSOFTWAREMAJORPROCEDURESTHEDESIGNOFNONCONTACTTYPEICCARDANDTHEDRIVERDESIGNOFMICROCONTROLLERPERIPHERALCHIPSACCORDINGTOTHESYSTEMREQUIREMENT,LCDSHOWSTHEDYNAMICTIMEWHENTHEREISNOCARDINTOTHEREADERWITHINTHESCOPEOFWORK,ORSHOULDREADTHECARDWITHINASPECIFIEDSECTOROFDATAANDTHECARDSSERIALNUMBERINFORMATIONANDPUNCHSTATEDISPLAYEDINTHELCDAFTERINTEGRATEDDEBUGGING,THEACTUALOPERATIONRESULTSSHOWTHATTHEDESIGNOFTHESUBJECTSYSTEMBASICALLYMEETSTHEABOVEREQUIREMENTSKEYWORDSNONCONTACTTYPEICCARDENTRANCEGUARDCONTROLSYSTEMZLG500ATREADINGANDWRITINGMODULERADIOFREQUENCYIDENTIFICATION目录摘要IABSTRACTI第1章绪论111课题背景概述112本文研究的目的与意义113国内外研究现状2131国内研究现状2132国外研究现状214本文研究课题的发展前景315本文主要研究内容3第2章系统的理论基础421系统相关的电磁理论知识4211天线场的概念4212能量耦合422数据的传输与安全性5221数据的传输原理5222数据的安全性6223MIFARE1ICS50卡概述7224MF1卡的存储结构8225MF1卡的功能结构及工作原理923非接触式IC卡的国际标准1024门禁控制系统的基本构成及工作流程10241门禁控制系统的基本构成10242门禁系统的工作流程1125本章小结12第3章系统的硬件电路设计1431系统总体分析14311系统设计要求14312系统总体方案1432微处理器接口设计1533电源模块设计1734ZLG500AT读写模块设计17341ZLG500AT模块的硬件概述17342ZLG500AT的串行接口规范1935键盘接口设计2136实时时钟的硬件设计22361实时时钟的硬件接口22362实时时钟的读写控制2337串行通信模块设计2438数据存储模块设计25381AT24C02存储芯片接口概述25382AT24C02存储芯片串行通信2639液晶显示模块设计27391液晶模块的外部接口27392液晶模块的串口传输方式29310语音模块设计29311本章小结30第4章系统的软件设计3241系统软件总体流程3242IC卡读写模块软件设计33421读写模块的数据传输协议33422读写模块函数描述3443系统信息的存储与显示37431存储模块程序设计37432液晶显示模块程序设计3944实时时钟的数据处理4145其他模块程序设计42451SPI数据传输与格式转换42452按键扫描及语音提示4246本章小结43结论44致谢45参考文献46附录A47附录B54附录C55附录D64第1章绪论11课题背景概述当今时代，随着科学技术的发展，自动识别技术在生产、生活中扮演着愈来愈重要的角色，它就是应用一定的识别装置，通过被识别物品和识别装置之间的接近活动，自动地获取被识别物品的相关信息，而且向后台的计算机处理系统赋予有关的事后处理的技术。这种技术近些年来发展得很迅猛，形成了具有接触式IC卡技术、光学字符识别、射频技术非接触式、磁条磁卡技术等集光磁、计算机、物理及通信技术为一体的高新技术。本课题研究的是一种基于非接触式IC卡射频技术的门禁控制系统1。射频识别即RFIDRADIOFREQUENCYIDENTIFICATION技术，又称电子标签、无线射频识别是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，作为条形码的无线版本，RFID技术具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更加自如等优点，其应用将给零售、物流等产业带来革命性变化2。随着识别技术的诞生以及成熟化，极大地推进了安全事业的发展，为重要部门出入口实现安全防范管理提供了更多的解决方案，加上传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置，无论结构设计多么合理，材料多么坚固，人们总能通过各种手段把它打开，此种情景下，门禁控制系统应运而生。门禁控制系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术，适用于各种机要部门，门禁控制系统最大限度地减少了给人们带来的利益损失，促进了社会环境的和平稳定。12本文研究的目的与意义门禁控制系统能够有效地控制人员的出入，并且记录所有出入的详细信息，以实现出入口的方便、安全管理，控制系统可以联网和脱机工作，门禁控制系统的推出将缓解大人流快速通过的问题，同时可以结合视频图像联动接入，保安可对出入人员进行实时监控和查询，管理人员能方便地统计、打印或导出门禁上位机数据信息，本课题采用了非接触形式的无线标签来作为数据传输的媒介，非接触出入控制的读取设备被尘土、污垢或是潮湿损坏的机率非常小，此外，天线可以完全隐蔽地安装在墙内，不会被恶意破坏，大大提高了安防性。本课题研究的基于非接触式IC卡的门禁控制系统正是为了达到上述的目标而进行设计的，对于将来的安防事业付出了自己的一份力量，有利于营造更加美好和谐的社会环境。随着科技的发展，人们对门禁系统的应用已不局限在单一的出入口控制，而且还要求它不仅可应用于智能大厦或智能社区的门禁控制、考勤管理、安防报警、停车场控制、电梯控制、楼宇自控等，还可与其它系统联动控制等多种控制功能，而基于非接触式IC卡的门禁控制系统针对于集成应用提出了可行性方案，具有重要的意义。13国内外研究现状131国内研究现状国内对门禁系统的研究刚开始只是处于认识教育和试用阶段，而现在逐渐步入了研发阶段，门禁系统主要有下几点不足之处运用国外现成的集成模块；仿造国外研制好的系统；产品的类型比较少、系统开发成本较国外很高。国内的门禁系统大多以控制器为核心构建的，门控器大多由国外企业研制。门禁系统利用的零件多数采用国外原材料和先进集成电子工艺，所以它的性能比较高。上述的门禁控制系统几乎都可以同时控制多个门，能够实现多门监控机制；很多企业把它做成企业的一卡通系统，实现数量大的人员管理。门禁系统是由多个独立部件有机集成而构成的，若要想升级系统，仅仅需要对系统的某一部分进行升级，然后再组装即可。总体来讲，国内对门禁系统的研究仍然处于感知层次，在理论方面的研究还是比较欠缺的3。132国外研究现状国外门禁系统经过数十年的技术与销售沉淀，系统的稳定性很好，返修率估计在千分之二到五之间，人性化的功能比较少，系统集成的功能比较强大，提供成套的和弱电集成的方案，软件操作会比较复杂。随着科技的发展，最近几年，国外门禁系统市场愈来愈成熟，它的产业分工进入了细分阶段，生产卡片和读卡器的厂家就单单生产卡片和读卡器，如德国的DESTELE公司。生产控制器的公司单单生产软件和控制器。从目前全球门禁系统的前端输入设备的水平及发展方向来看，除宾馆锁外，磁卡和接触式IC卡读卡器已在逐步地退出门禁系统市场。国外门禁系统的知名品牌有休斯HID、洛泰克NTK、西屋WSE以及英国的集宝等。国外研制与应用的门禁控制系统主要包括两类感应和生物识别门禁系统，生物识别又以指纹识别运用得最为广泛4。伴随计算机图像处理、模式识别理论与大规模集成电路技术的不断发展，指纹自动识别系统的体积不断缩小，其价格也不断降低。据国际生物认证团IBG调查得知美国生物认证市场在2002年的时候已经突破了7亿美元，而指纹识别就占据了近50。14本文研究课题的发展前景射频识别技术的发展将会在电子标签、读写器、系统种类、标准化等方面取得新的进展。电子标签芯片需要更低的功耗；无源标签、半无源标签技术更加成熟；更远的作用距离；更加完善的无线可读写性能；高速的移动物品识别；高频远距离系统性能更加完善；对标准化基础性研究更加深入、成熟；标准化被更多的企业接受；更好的系统模块可替换性。门禁控制系统未来的主要发展趋势包括外观工艺、易安装、强大的联网、远程管理、扩展及升级性、硬件稳定性以及方便的系统整合；门禁软件的功能需求也需逐渐增强，包括系统联动功能、网络化、资料集成与共享、开放协议、数据库自动备份、访客图像或证件验证以及在线布防与在线撤防；门禁控制系统的技术将同时向IT方向发展，由于TCP/IP通信协议的优势实时响应和管理与方便的扩展性，使得TCP/IP协议将成为门禁控制系统与IT兼容的协议的主流。15本文主要研究内容本文主要是在非接触式IC卡的基础上，研究如何利用单片机以及相关的外围设备来完成对非接触式IC卡的读写控制，读写模块采用的是周立功公司生产的ZLG500AT天线一体式模块，意即通过单片机STC89C54控制ZLG500AT模块，综合ZLG500AT库函数和单片机用户程序来协调IC卡的读写工作。相关的输出信息可以在液晶显示屏幕上直观地呈现给用户，并且通过按键可以设置、查询必要的信息，当进行操作时，语音系统会返回相应的语音信息，使整个系统更加人性化。在本文的后半部分，主要在软件和硬件两个方面对系统进行调试，从而发现问题、分析问题，最后解决问题达到优化系统的目的。第2章系统的理论基础21系统相关的电磁理论知识211天线场的概念电子标签和读写器通过各自的天线构建了二者之间的非接触信息传输信道。传输信道的性能取决于天线四周的场区特性。射频信号与距离的高次幂成反比，离开天线越远，信号减小得越迅速。根据观测点与天线的距离可以把天线四周的场区分成无功近场区、辐射近场区与辐射远场区三个区域5。无功近场区是一个近场区域，它是处于天线辐射场中，并且紧邻天线口径。在此区域中起着支配地位的是具有电抗性的储能场。无功近场区也可以理解为一个储能场，该储能场中电场与磁场的转换与变压器中的电场和磁场之间的转换相似。越过无功近场区的界限就进入了辐射近场区，辐射近场区的电磁能已经脱离了天线的束缚，而是作为电磁波进入空间6。在辐射远场区域中，场区的角度分布与距离没有关系。对于某个距离值，辐射场角度分布与距离为无穷大时的角度分布误差在允许范围内时，我们把这一点到无穷远处的区域叫做辐射远场区。辐射远场区与辐射近场区的分界距离R为212RD其中，为天线的直径，为天线的波长，。D一般情况下采用或为天线的尺寸的天线结构模式，这是因为电1/L/L子标签与读写器天线的尺寸的限制。辐射远场区和无功近场区的距离估算依据就是波长。212能量耦合射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离就是射频标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离。根据距离的不同，标签与读写器两者天线之间的耦合系统可以为是三类密耦合、遥耦合以及远距离系统7。1密耦合系统密耦合系统，又称为紧密耦合系统，是具有很小作用距离的射频识别系统，它的常见作用距离为01CM。一般情况下需要将射频标签插进读写器卡槽当中，若是非接触的方式，也可以把标签放置到读写器的天线表面。在射频标签与读写器天线的无功近场区之间，通过电感耦合闭合磁路构成了无接触空间信息传输射频通道，密耦合系统正是利用这个通道展开工作的。密耦合系统常见的工作频率多数都是低于30MHZ。2遥耦合系统此类系统常见的作用距离为1M，所有遥耦合系统在读写器与标签之间都是电感磁耦合，因此也将这些系统称作电感无线电装置。目前在用的射频识别系统的9095都属于电感磁耦合系统。遥耦合系统典型工作的频率为1356MHZ，也有一些其他的频率如675MHZ、27125MHZ等。耦合系统目前是低成本射频识别系统的主流。遥耦合系统又可细分为近耦合系统典型的作用距离为15CM与疏耦合系统典型的作用距离为1M两类，如图21所示。遥耦合近耦合（ISO14443）疏耦合（ISO15693）图21遥耦合系统的分类3远距离系统在读写器与电子标签两者天线之间，通过电磁耦合形成了无接触空间信息传输射频通道，远距离系统正是利用这个通道来运行的。远距离系统的常见作用距离为110M，个别系统具有更远的作用距离。远距离系统的常见工作频率为915MHZ、245GHZ和58GHZ等等。22数据的传输与安全性221数据的传输原理在射频识别系统当中，读写器和电子标签之间的通信主要依靠电磁波来实现，根据通信距离可以将其区分为远场和近场两种类型。在读写器和电子标签之间进行数据交换，可以通过负载调制和反向散射调制两种方式来进行8。1负载调制近距离的低频RFID系统的实现主要依靠准静态场中形成的祸合。此种形式下，电子标签与读写器天线之间能量的交换方式与常见的变压器原理相似，我们把它叫做负载调制，这种调制就是利用负载的某些差异或负载的变动而使信号源的某种或某些参数发生相应改变的过程或效应。射频卡的天线或线圈是读写器发射天线或线圈的负载，射频卡通过改变天线回路的参数比如谐振和失谐，使读写器端被调制，进而实现了以微弱的能量从射频卡到读写器的数据传输。2反向散射调制在915MHZ和245GHZ的RFID系统中，读写模块与电子标签之间的距离有几米，然而载波波长只有几十厘米。我们将读写模块与电子标签之间的能量传递方式称为反向散射调制。反向散射调制的含义为无源RFID系统中电子标签把信号传送到读写器所运用的一种通信方式，其原理如上图22所示。依据要发送数据的种类，控制电子标签的天线阻抗使反射的载波幅度变化很小，于是反射载波幅度就携带了所需传送的信号。Z中频振荡器与门S1数据匹配网络阻抗开关中频调制图22电子标签阻抗控制方式待发送的数据信号具有两种电平，利用中频信号与简单的混频器完成调制，将阻抗开关连接到调制结果，它用来更改天线的反射系数，然后再调制载波信号。整个数据通信链路中仅包含一个发射机，但是实现了双向的数据通信。电子标签根据要发送的数据通过控制天线开关，来改变匹配程度。这样一来，从标签返回的数据就被调制到了返回的电磁波幅度上。222数据的安全性在射频识别通信网络中，所有通信内容都是通过无线信道传送的。射频识别通信网络也是一种无线通信网络。无线通信网络的优势来源于他们所采用的无线通信信道，而此信道是一个开放性信道，它在赋予无线用户通信自由的同时，也给无线通信网络带来一些不安全因素，如通信内容容易被窃听、内容可以被更改以及通信双方身份可能被假冒等。为保证MIFARE1卡数据通信中的安全性和可靠性，MIFARE1卡和读卡器之间的通信使用三次认证令牌机制，其步骤如下A环M1卡向读写器发送数据RB随机；B环读写器收到RB后向M1卡发送数据TOKENAB令牌，包含读卡器发出数据RA随机；C环M1卡收到TOKENAB后，对TOKENAB的加密部分进行解密，检查B环中接收到的TOKENAB中的RB与A环中M1卡发送的RB是否一样；D环在C环校验正确的前提，M1卡向读写器发送令牌TOKENBA；E环读写器收到令牌TOKENBA后，读写器对令牌TOKENBA中的RB解密；检验由D环中接收到的TOKENBA中的RA与第一次B环中读写器发出去的RA是否一致。如果上述的每一个步骤都能正确通过验证，则认为整个认证过程成功。此时读写器将可以对刚刚认证通过的卡片上的这个扇区进行下一步的操作。如果有其中一步未通过验证，则整个认证过程失败，必须从新开始。整个认证过程如图23所示。射频卡读卡器ARBBTOKENABDTOKENBACE图23三次认证的令牌原理框图223MIFARE1ICS50卡概述在本课题研究的门禁系统中使用的是MIFARE1S50IC卡，MF1卡是符合ISO/IEC14443A的非接触式智能卡。其通讯层MIFARERF接口符合ISO/IEC14443A标准的第2和第3部分9。MF1卡的主要特性1MIFARERF接口ISO/IEC14443A非接触数据传输并提供能源不需电池；工作距离可达100MM取决于天线尺寸结构；工作频率1356MHZ；快速数据传输106KBIT/S；高度数据完整性保护16BITCRC，奇偶校验，位编码，位计数；真正的防冲突。2EEPROM1KBYTE，分为16个区，每区4个块，每块16字节；用户可定义内存块的读写条件；数据耐久性10年；写入耐久性100000次。3安全性相互三轮认证ISO/IECDIS97982；带重现攻击保护的射频通道数据加密；每区两个密钥，支持密钥分级的多应用场合；每张卡一个唯一序列号。224MF1卡的存储结构MIFARE1卡片的存储容量为1K8位字长，采用PROM作为存储介质，分为16个2E扇区SECTOR,编号为015。一个扇区对应4个块BLOCK,即块0、块1、块2与块3，一个块存储16字节的内容。卡片的存储单元总共有64个块，分别编号为063。在MIFARE1的64个块中，SECTOR0的BLOCK0用于存储该张智能卡的序列号SERIALNUMBER和生产厂商的标志信息，这部分内容是在智能卡出厂时就被固化好了的，因此该块是只读的。每个数据块和尾块的读写条件均由3个BIT定义，并以非取反和取反形式保存在各个区的尾块中。读写控制位管理着使用密钥A或密钥B读写存储器的权限。如果知道相关的密钥，并且当前读写条件允许，读写条件是可以更改的。在本设计中采用了卡中的15扇区的BLOCK60、BLOCK61与BLOCK62三个数据块，在软件设计的时候只需要进行一次密码验证，采用KEYA密码验证方式，当IC卡顺利通过验证后就可以读取这三个块的单元内容，MF1卡的存储结构如表21所示10。表21MIFARE1卡片的存储结构扇区块内容类型编号块0卡片序列号及生产厂商信息数据块0块1DATA数据块1块2DATA数据块2扇区0块3密码A存取控制密码B控制块3块0DATA数据块4扇区1块1DATA数据块5块2DATA数据块6块3密码A存取控制密码B控制块7块0DATA数据块60块1DATA数据块61块2DATA数据块62扇区15块3密码A存取控制密码B控制块63225MF1卡的功能结构及工作原理MIFARE1卡电路系统主要包括数字逻辑电路与射频接口电路。射频接口电路包括电源产生、调制与解调电路，原理见图24所示。电源产生电路包括整流稳压电路与保护电路解调电路的两个功能模块分别是检波电路和比较电路。数字逻辑电路主要包括ATRANSWERTOREQUEST模块、ANTICOLLISION模块、SELECTAPPLICATION模块及AUTHENTICATION然后根据所得的数据对其他接口设备如液晶显示屏和PC机之间进行无线收、发或RS232接口通信，把数据传给上位机本系统仅对下位机进行研究。液晶屏采用带中文字库的HJ12864ZW，并且采用串口操作方式，这样占用单片机的I/O口较少，节省资源。具体的硬件设计在以后的章节里会作较详细的介绍，系统总体方案框图如图31所示。PC机MAX232主控制器STC89C54TXDRXD独立式键盘液晶显示HJ12864ZW数据存储AT24C02复位电路电源模块读写模块ZLG500AT非接触式IC卡MIFAREICS50时钟电路DS1302语音电路ISD1760图31系统总体方案框图32微处理器接口设计微处理器控制MCU部分是非接触式IC卡读写器的控制核心，主要负责对射频基站部分的初始化工作，对串行通讯部分进行初始化，控制通讯部分完成与上位机进行串行数据通讯，对单片机外围芯片进行初始化，通过控制射频读写模块完成对非接触式IC卡的各种操作。根据系统的要求，考虑到系统工作频率与系统的整体设计，就本系统而言，还要考虑到系统的通信速度和通信方法以及存储空间大小等方面，再结合市场上的单片机的性能、价格、应用领域，本课题选择了宏晶科技生产的STC89C54RDPDIP芯片。STC89C54是一种低功耗、高性能微控制器，具有16KFLASH存储器，STC89C54为现今许多单片机控制系统提供了较灵活有效的解决途径。选择STC单片机降低了成本，提升了系统的性能，原有程序可以直接使用，硬件无需改动12。在本次设计中，单片机STC89C54的接口电路如图32所示，由于单片机P0口内部没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常地输出高/低电平，因此该组I/O口在使用时需要外接上拉电阻，一般我们选择接入10K的上拉电阻。P0口输出的数据用来控制语音电路。P10、P11、P12、P32这四个I/O口接入的是ZLG500AT读写模块，使得它与单片机之间进行交互通讯。P13与P14与数据存储芯片AT24C02连接，用于存储系统中的关键信息。P15、P16、P17接入实时时钟芯片DS1302，用于获取实时时间与日期。P20与P21用来进行两个74HC573的片选，P22P26与液晶模块连接，从而获得显示信息P27通过三极管连接一个蜂鸣器。在P3口中，P30与P31与MAX232进行串行通信，完成程序的下载与上位机的通信；P33P37作为输入口，直接与独立式键盘连接，利用键盘来改变系统的参数，增强系统的方便性。P102345678REST9/XDINWALGVCUKYMHZPFBOU_BELQ图32单片机接口电路图单片机的9引脚是单片机的复位引脚。当输入连续两个机械周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作，复位后程序计数器PC0000，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码，通俗地讲就是单片机从头开始执行程序。本课题设计中采用上电与按键两种复位方式。单片机的引脚XTAL2、XTAL1外接110592MHZ的晶振时钟电路。它是给单片机提供工作信号脉冲的，即为单片机的工作速度。由于单片机的晶振与引脚XTAL2、XTAL1构成的振荡电路中会产生谐波，这个谐波对电路的影响不大，但会降低时钟振荡器的稳定性。为了电路稳定性起见，在晶振的两引脚处接入两个30PF的电容。33电源模块设计本设计系统采用5V电源供电，由于USB总线可为连接在其上的设备提供稳定的5V电压/100MA电流，且可以支持热拔，因此本系统采用了USB供电。与此同时，在系统中增加了电池供电模块，利用7805三端稳压模块实现单极性5V电源的输出，作为备用电源在实际应用中应该有主电源断电检测与切换的功能，在本设计中没有此方面的设计。在7805左侧的电容为输入稳定电容，其作用是减少纹波、消振、抑制高频和脉冲干扰；7805右侧的电容为输出稳定电容，其作用是改善负载的瞬态响应。电源供电电路如图33所示。VIN1GND2OUT37805BATERYK4LFC9USWP图33电源电路34ZLG500AT读写模块设计341ZLG500AT模块的硬件概述本设计系统采用的IC卡读写模块是广州周立功单片机发展有限公司生产的ZLG500AT天线一体式模块，该模块四层电路板设计，双面表贴，EMC性能优良；采用PHILIPS高集成ISO14443A读卡芯片MFRC500；三线SPI接口能与任何MCU接口连接；能用软件控制蜂鸣信号输出频率及持续时间；能读RC500EEPROM；发光二极管指示模块当前状态；提供给用户三线SPI用来完成对MIFARE卡的全部操作。该模块向用户提供了四个端口J1、J2、J3、J4，其中J1为天线接口，由于ZLG500AT自带PCB天线，所以在本次设计中没有考虑此端口，而是着重研究了J2端口，因为就是由此端口与单片机之间的串行口通信才完成射频识别的关键工作。J2口的具体含义见表31内容13。表31J2端口具体含义管脚符号类型描述J21SCLK输入SPI接口时钟线，由外部单片机产生J22SDATA双向数据线，传输方向为双向J23SS双向传输启动线，接单片机外部中断J24VCCPWR电源正端J25RST复位模块复位端高电平有效J26GNDPWR电源负端J27CTRL输出输出控制信号J28BZ输出输出蜂鸣信号，频率可调ZLG500AT模块与任何MCU的接口电路比较简单，其典型电路如图34所示。MCUZLG500ATP10P11P33/P32P12SCLKSDATASSRSTCTRLBZ接发光二极管接蜂鸣器电路图34ZLG500模块与MCU的典型接口电路在本论文中电路原理图采用网络标签NETLAB的形式进行连线，标号一样的端口在物理上是电气连接在一起的，这样就大大减少了画图时排线的工作量，使得原理图整体显得清爽。与单片机STC89C54相对应的网络标号参见前所讲的微处理器接口部分内容，或者是参照附录B上的原理图来进行理解。在ZLG500AT模块中J1端口是悬空的，内部电路已经将其与天线连接完毕，不用再人为接入天线。据公司相关技术人员介绍，此模块不支持两个天线同时工作。采用无源蜂鸣器，利用读写模块BZ端连接一个NPN来控制。切记一点，该模块的SS端一定要与单片机的一个外部中断相连。针对于本课题的设计，ZLG500AT模块与单片机的连接及其外围设备如图35所示。在连接硬件电路的时候，主要有两块板子，这两块电路板一定要共地，这对于ZLG500AT读写模块与单片机之间的通信很关键，因为SPI数据传输对于时序的要求比较严格，在读写模块的J1端口中有三个端口是与地相连的，它们与天线载波信号的发射有关。SCLKJ21DAT3V4R5GN67BZ8XU0QPEEL图35本系统中ZLG500AT模块接口电路342ZLG500AT的串行接口规范1接口原理SS和SDATA是双向的，但是SCLK是单向的，也就是说时钟信号仅仅由主控制器来产生，ZLG500AT必须释放时钟线。当主从机接口空闲时，主机SS1，SCLK0，SDATA0；从机SS1，SCLK1，SDATA0。一方有数据需要发送到另外一方的时候，该方将SS线置低，当发送结束时再置高，该线不能由接收数据的一方来控制，而且双方不得同时控制SS线。SDATA为数据线，数据由数据发送端进行控制,接收端必须释放SDATA线。2三线传输时序图SPI线上的信号传输时序如图36所示，它和传输的方向无关。SSSCLKSDATAT1T2T3TLTHSTRATSTOP图36三线传输时序图由图36可以看出，时钟和与数据线信号在SS信号为低电平的时候方可有效，SCLK为低电平期间允许SDATA数据信号变化，SCLK是高电平期间SDATA信号应当处于稳定状态。在ZLG500AT模块中，专门设置一个WDG定时器对信号接收的响应状态进行监视。当接收器响应时，单片机必须根据信号传输方向严格控制时序中的几个关键时间，以确保数据传输无误。3读写数据141写数据MCUZLG500ATMCU在SS线上产生一个下降跳变沿，从而发出请求数据传送信号，等待ZLG500AT响应后启动本次数据传输，当SCLK变为高电平时ZLG500AT读取SDATA线上的数据。数据传输结束后，MCU应在SS线上产生一个上升沿用于停止传输，见表32内容。表32写数据MCUZLG500AT序号动作发出动作动作接收动作说明1MCU将SDATA置为输入，SCLK0，SSZLG500AT数据传输请求开始2ZLG500ATSDATAMCU数据传输得到响应3MCU输出串行数据,将SDATA置为输出ZLG500AT数据传输4MCUSCLK、延时、ZLG500ATMCU输出时钟脉冲置高时ZLG500AT读取数据5MCU循环动作3与4，传送8N位ZLG500AT数据传输字节6MCUSS，SDATA0,SCLK0ZLG500AT数据传输完成2读取数据MCUZLG500ATMCU产生SCLK信号与响应信号，ZLG500AT产生SS信号和SDATA信号。ZLG500AT模块在SS线上产生一个下降的跳变沿，从而发出数据传输请求信号，得到MCU响应后数据传输就启动，当SCLK信号为高时MCU将从SDATA线上读取数据信息。等到数据传输完成以后，在SS线上，ZLG500AT产生一个上升沿用于中止数据传输，见表33内容。表33读取数据MCUZLG500AT序号动作发出动作动作接收动作说明1ZLG500ATSDATA1，SSMCU传输的请求开始2MCU将SDATA置为输入ZLG500AT传输的得到响应3ZLG500ATSDATA串行数据MCU开始传输4MCUSCLK、延时、ZLG500ATMCU输出时钟脉冲、置高时ZLG500AT读取数据5双方循环动作3与4，传送8N位双方传输N字节6ZLG500ATSS，SDATA0MCU传输完成35键盘接口设计本设计利用键盘的目的是为了便于输入指令，对于射频识别领域，可操作的指令并不是十分复杂，所以本设计采用了五个独立式按键，按键防抖动采用软件编程来实现以节省成本，一般在检测按下时加入去抖动延时，检测松手时就不用加了，按键检测流程图如图37所示。开始寄存器与单片机I/O端口初始化检测有键按下延时10MS执行相应代码检测有键按下检测按键释放NYNNYY图37按键检测流程图在本设计中，S10S14分别与单片机的P33P37相连，S10、S11、S12按键用于改变系统时间，其中S10为功能选择键，S11为数值增大键，S12为数值减小键。S13为查询门禁信息按键，通过此按键可以在液晶显示屏幕上观察到门禁记录的信息。S14为按键功能介绍，操作的返回主要依靠程序中的标志位来自行实现。36实时时钟的硬件设计361实时时钟的硬件接口现在的很多电子设备中通常会进行一些与时间有关的控制，如果用系统的定时器来设计时钟的话，偶然的掉电或晶振的误差都会造成时间的错乱，更糟糕的是，若完全用程序设计时钟还会占用大量的系统资源，从而严重影响系统的其他功能，因此本设计选用封装形式小、与MCU的接口比较简单的串行实时时钟芯片DS1302，作为单片机外部的硬件时钟。DS1302是美国DALLAS公司的研究成果，该芯片专用于低功耗的串行通信，它与单片机之间的通信采用3线串行方式，数据传送有单字节与多字节突发两种方式15。DS1302是由DS1202升级而成，除保持DS1202的实时时钟功能外，增加了双电源管脚。在芯片里面，主要有实时的时钟和日历以及长度为31BYTE的RAM，与单片机进行通信的串行接口比较简单。可提供以下功能包括日月年秒分时信息；可自动调整一个月的天数以及闰年的天数；设定AM/PM相应的寄存器进而决定是12还是24小时的时间格式等等。DS1302与单片机的接口电路如图38所示。VC218I/O6GND4SLK7XRT5U0B_UF图38实时时钟的接口电路各引脚的功能为VCC2主电源；VCC1备份电源。当VCC2VCC102V时，由VCC2向DS1302供电，当VCC1VCC2时，由VCC1向DS1302供电；SCLK串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；I/O三线接口时的双向数据线；输入信号，在读、写数据期间，必须为高。开始控制字访问移位寄存器的控RSTRST制逻辑；其次，提供结束单字节或多字节数据传输的方法。ST362实时时钟的读写控制在进行数据传输之前需要先发送控制命令字节，随后才可以是具体的数据，实时时钟DS1302的读写控制字格式如表34所示。表34DS1302的读写控制字节D7D6D5D4D3D2D1D0RAMRD1CKA4A3A2A1A0WR如果想把数据写进DS1302中，控制字中的D7位必须为逻辑1。D6如果为1，那就表示存取RAM数据，否则存取的是日历/时钟数据；D5D1A4A0的含义是读写寄存器的地址；D0位的0/1说明要进行写/读操作。DS1302的控制字是从最低位开始输出的，输入控制字指令之后，紧接着的下一个SCLK线产生上升沿时，将把数据写进DS1302寄存器中。从最低位开始数据的输入，传输8位的控制字指令后，紧接着的下一个SCLK线产生下降的跳变沿，读出DS1302的数据，从最低位到最高位将数据读出。如下面图39与图310所示，为DS1302读写时序图。R/WA0A1A2A3A4R/C1D0D1D2D3D4D5D6D7SCLKI/ORST图39单字节读R/WA0A1A2A3A4R/C1D0D1D2D3D4D5D6D7SCLKI/ORST图310单字节写数据输入输入写命令字的8个SCLK周期后，接下来的8个SCLK周期的上升沿的时候数据字节被输入，如不慎发生，多余的SCLK周期将被忽略，数据输入从D0开始。数据输出输入读命令字的8个SCLK周期后,随后的8个SCLK周期的下降沿，一个数据字节被输出。注意第一个数据位的传送发生在命令字节被写完后的第一个下降沿只要保持高电平，若不慎发生，多余的SCLK周期会重新发送数据字节，此操作允RST许连续不断的脉冲串模式读取操作，I/O管脚在SCLK的每个上升沿被置为三态，数据输出从D0开始。37串行通信模块设计在门禁控制系统中，读写模块应当能够与PC机等设备进行通信，进而实现管理射频卡片的数据库操作。RS232C是一种比较常见的串行通信标准，它明确规定了串行通信的电气特性、信号功能以及传送过程等等，通信的数据传输速率的范围是020KBIT/S。不同于传统的TTL等数字电路的逻辑电平，RS232C的逻辑电平以公共地为对称，它的“0”电平规定在325V之间，“1”电平规定在325V之间。由于它与TTL电平不兼容，因此二者之间的连接必须使用电平转换。本系统采用MAX232芯片实现电平转换。MAX232是MAXIM公司生产的单电源、低功耗的RS232双路发送/接收器，芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的5V电压变换成RS232C输出电平所需的电压。采用RS232接口中的RX接收数据线、TX发送数据线、GND地线三线完成通信传输，其它信号线如握手信号线均不用，而采用的是软件握手的方式。在实际应用中，器件对电源噪声很敏感，因此VCC必须要对地加上去耦电容C3,在实际的硬件电路中，MAX232外围的其他电容要尽量靠近芯片本身，从而提高抗干扰能力。MAX232硬件接口简单，加之价格适中，所以被广泛采用。串行通信接口电路如图311所示。C1V23456TOU7RIN890GDMAXJUFP_图311串行通信接口电路38数据存储模块设计当门禁控制系统正常运行时，其中的读卡模块ZLG500AT将通过单片机把刷卡记录存入控制系统的存储器中，管理人员需要控制上位机每隔一定时间轮回查询各个门禁控制器，向读卡器发出请求，这时候门禁控制器才将所存的数据一次性传送给上位机。上位机轮询读卡器的时间间隔越长要求读卡器的存储器容量越大。存储器有并行存储器和串行存储器之分，并行存储器存储容量大，数据传送速度快，但芯片体积大、管脚多，需要占用单片机大量的I/O脚。串行存储器体积小，与单片机接口简单。在本系统中采用的是二线制串行直插式EEPROMAT24C02存储芯片，存储容量为2KB，可对所存数据保存100年，擦写次数可达10万次以上。采用AT24C系列EEPROM器件可以很好地解决掉电数据保护问题，且硬件电路简单。下面将从硬件接口与串行通信两个方面来介绍该芯片。381AT24C02存储芯片接口概述AT24C02是一个2K位串行CMOSEEPROM,内部含有256个8位单元。AT24C02有一个16字节页面写入缓冲器。该器件通过IC总线接口进行操作，有一个专门的写保护2功能。AT24C02与单片机的接口电路如图312所示。芯片具体引脚配置及引脚功能如下16A0、A1、A21、2、3芯片地址输入，这些输入引脚用于多个器件进行连接时设置各自的地址，当这些引脚悬空时默认值为0。当使用AT24C02时最大可连接8个芯片。若仅有一个AT24C02被总线寻址，可将这三个输入引脚悬空或接地。GND4电源负端。SDA5串行数据/地址，它是双向的，而且是一个开路漏极输出管脚，与其它开路漏极输出为线或关系。SCL6串行时钟，产生芯片数据发送/接收的时钟信号，为输入管脚。WP7写保护，若WP管脚连接到VCC，所有的内容都被写保护。当WP管脚连接到GND则表示芯片的正常读/写操作被允许。VCC8电源正端。A0123SCL6WP7GND4V85UT图312AT24C02与单片机的接口电路382AT24C02存储芯片串行通信AT24C02是具有IC总线接口的EEPROM器件，它的数据通信遵循IC总线协议，22IC总线由PHILIPS公司推出，是近年来微电子通信控制领域广泛采用的一种总线标准，2具有接口线少、控制简单、通信速率较高与封装形式小等优点。IC总线由数据线SDA2和时钟线SCL两条线构成通信线路，具体的器件操作如下描述参照IC总线数据通信格式，如图313所示1时钟及数据传输SDA引脚通常被外围器件拉高，SDA引脚的数据应在SCL为低时变化；当数据在SCL为高时变化，将视为下文所述的一个起始或停止命令。2起始命令当SCL为高时，SDA由高到低的变化被视为起始命令，必须以起始命令作为任何一次读/写操作命令的开始。3停止命令当SCL为高时，SDA由低到高的变化被视为停止命令，在一个读写操作后，停止命令会使EEPROM进入低功耗的等待模式。4应答IC总线协议规定，每传送一个字节数据含地址及命令字后，都要有一个应2答信号，以确保数据传送被对方收到。应答信号由接收设备产生，在SCL信号为高电平期间，接收设备将SDA拉为低电平，表示数据传输正确，产生应答，时序图如图313所示。5等待模式AT24C02有一个低功耗的等待模式。可以通过以下方法进入该模式上电；收到停止位并且结束所有的内部操作。6复位在协议中断或下电后，可通过以下步骤复位连续输入9个时钟；在每个时钟周期中确保当SCL为高时SDA也为高；建立一个起始条件。SDASCL178917891789地址读/写应答数据应答数据应答终止信号起始信号图313IC总线数据通信格式239液晶显示模块设计由于门禁控制系统功能的要求，需要显示设备来显示某些信息，例如系统的实时时间，刷卡的状态以及查询的信息等。本设计中采用的是深圳绘晶科技有限公司生产的HJ12864ZW液晶模块。391液晶模块的外部接口HJ12864ZW液晶模块的主要特性说明如下1图形点阵型液晶显示模块。它主要由行驱动器与列驱动器组成，可显示128列64行点阵。可完成图形显示，也可显示84个1616点阵汉字。2内置RAM为512字节4096位，液晶显示模块背光颜色有黄绿色、橙色、白色、红色、翠绿色、蓝色，可供客户进行选择。3使用与储存温度有工作温度050，储存温度1060；工作温度2070，储存温度3080可供客户进行选择。4液晶显示模组LCM的LCD颜色有黄绿色、蓝色、灰色，可供选择。5模块电压有50V与33V可供客户进行选择，需出厂前设置。6控制指令丰富，CPU接口采用8位数据总线并口或串口输入输出方式。HJ12864ZW液晶的引脚配置及引脚功能如表35所示,其中的DB0DB7八个并行数据接口在本设计中没有用到，图314给出了HJ12864ZW液晶模块与单片机的接口电路图。表35HJ12864ZW液晶的引脚配置及引脚功能引脚名称说明引脚名称说明1VSS电源地15PSB串/并控制选择2VDD电源正端16NC空脚3VOLCD驱动电压可调17RST复位脚低电平有效4RSCS。数据/命令选择串片选18VOUT倍压输出脚5R/WSTD读/写选择串行数据19LEDA背光电源正6ESCLK使能信号串行时钟信号20LEDK背光电源负714DB0DB7并行数据口LED09VOU8RS7NCPBWHJZG图314HJ12864ZW液晶模块与单片机的接口电路392液晶模块的串口传输方式液晶